CN115070518B - 一种具有阵列微齿结构的球头微铣刀及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有阵列微齿结构的球头微铣刀及其制备方法，所述球头微铣刀主要由刀柄、刀颈和刀头组成，所述刀头上设置有两条轴对称设置的螺旋排屑槽，以及由两条螺旋排屑槽离散形成的阵列微齿结构，阵列微齿结构由若干右旋球面螺旋微沟槽和左旋球面螺旋微沟槽对称交错构成。其显著减少刀具与工件表面的接触面积，降低切削力以及切削热，从而延长刀具的使用寿命，同时可增加刀具容屑空间，加强刀具排屑能力。制备时，先进行铣刀刀坯的初步轮廓加工，然后对球头进行精密刃磨，加工出左、右旋对称交错球面螺旋微沟槽，形成阵列微齿结构，最后通过成形砂轮磨削两条轴对称的螺旋排屑槽，从而延长刀具使用寿命，提高加工表面质量。
Description
技术领域
本发明涉及切削刀具制备，更具体地说是一种具有阵列微齿结构的球头微铣刀及其制备方法。
背景技术
随着微型器件的兴起与发展，微切削技术成为研究热点，然而相比于宏观切削，微铣削加工过程中每齿切削深度与刀具刃口圆弧半径处于同一数量级，因此加工中存在明显的尺寸效应，挤压、犁耕、划擦等作用较为显著，对工件表面完整性造成严重损伤。在实际微铣削加工中，由于工件结构多样、尺寸微小，工件加工表面的形貌难以保证，容易出现毛刺、崩边等严重的加工缺陷。尤其是加工微小腔体结构时，由于排屑空间有限，大量切屑来不及排出，被刀具反复挤压而粘结在微通道内侧，导致腔体壁面形成大量毛刺，严重影响加工表面质量。尤其是球头微铣刀在加工圆形、半圆形等微结构时，受微铣刀刀颈限制，切屑排出更是严重受限，从而导致微结构加工表面质量偏差。此外，目前常见的球头微铣刀多为单刃或双刃结构，加工效率低，刀具磨损快，使用寿命短，较难满足高精度、高效率加工要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有阵列微齿结构的球头微铣刀及其制备方法，能够延长刀具使用寿命，提高加工表面质量。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种具有阵列微齿结构的球头微铣刀，包括刀柄，刀柄的直径为2mm至4mm，以及固定连接在刀柄端部的刀颈，刀颈上固定连接有刀头，所述刀头直径为0.6mm至1.0mm，所述刀头上设置有两条轴对称设置的螺旋排屑槽，以及由两条螺旋排屑槽离散形成的阵列微齿结构，阵列微齿结构由若干由右旋球面螺旋微沟槽和左旋球面螺旋微沟槽对称交错构成；
所述右旋球面螺旋微沟槽和左旋球面螺旋微沟槽的轨迹为对称交错右旋球面螺旋线和左旋球面螺旋线，右旋球面螺旋线和左旋球面螺旋线的球心与刀头的球心相同；
左旋球面螺旋线轴线和右旋球面螺旋线轴线与刀具轴线在同一平面内并且关于刀具轴线对称，左旋球面螺旋线轴线和右旋球面螺旋线轴线与刀具轴线之间的角度为20°至40°；
所述右旋球面螺旋微沟槽和左旋球面螺旋微沟槽的截面为等腰三角形，其底边长度为30μm至200μm，高度为10μm至100μm；
所述微齿结构为菱形，其长对角线为20μm至70μm，短对角线为10μm至40μm，其锐角角度为30°至80°；
该铣刀整体长度为40mm至50mm，螺旋排屑槽螺旋角为25°至40°。
一种具有阵列微齿结构的球头微铣刀制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：采用精密刀具刃磨机床通过砂轮对刀具毛坯棒料进行磨削，形成铣刀的初步轮廓；
步骤二：采用金刚石砂轮对刀头进行精密刃磨，进而在刀头上形成若干右旋球面螺旋微沟槽和左旋球面螺旋微沟槽，形成阵列微齿结构；磨削速度为15m/s至30m/s，进给速度为0.25mm/s至0.50mm/s，磨削深度为10μm至30μm；
步骤三：采用成形砂轮磨削两条轴对称的螺旋排屑槽，形成具有阵列微齿结构的球头微铣刀；磨削速度为20m/s至40m/s，进给速度为0.40mm/s至0.80mm/s，磨削深度为50μm至100μm。
本发明具有如下有益效果：
1)阵列微齿结构球头微铣刀刀头表面的螺旋微沟槽将完整表面离散为阵列微齿结构，可有效减少刀具与工件表面的接触面积，降低切削力以及切削温度，从而有效避免刀具磨损；
2)阵列微齿结构球头微铣刀具有大量微小切削刃，具有断屑、碎屑作用，抑制毛刺形成；阵列微齿结构旋转切割时，其上的微齿结构相互交替和切割面接触，去除切割面上的毛刺；同时刀头表面的右旋球面螺旋微沟槽和左旋球面螺旋微沟槽可容纳碎屑，强化刀具的容屑与排屑能力，从而提高加工表面质量。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的具有阵列微齿结构的球头微铣刀结构示意图；
图2是本发明的刀头结构示意图；
图3是本发明的微齿结构形状示意图；
图4是本发明的刀头表面微沟槽的截面形状结构示意图；
图5是本发明的具有阵列微齿结构的球头微铣刀的磨削加工过程示意图。
图中：刀柄1；刀颈2；刀头3；左旋球面螺旋线轴线31；螺旋排屑槽32；右旋球面螺旋线轴线33；阵列微齿结构34；右旋球面螺旋微沟槽35；左旋球面螺旋微沟槽36；刀具轴线4；金刚石砂轮5；成形砂轮6。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1、3和4所示，其中α为球面螺旋线与刀具轴线的夹角；β为阵列微齿结构投影形状的锐角；X为阵列微齿结构投影形状的长对角线；Y为阵列微齿结构投影形状的短对角线；L为右旋球面螺旋微沟槽35和左旋球面螺旋微沟槽36的底边长度；h为右旋球面螺旋微沟槽35和左旋球面螺旋微沟槽36的高度；
下面对一种具有阵列微齿结构的球头微铣刀的结构进行详细的说明；
一种具有阵列微齿结构的球头微铣刀，包括刀柄1，刀柄1的直径为2mm至4mm，以及固定连接在刀柄端部的刀颈，以及固定连接在刀柄1端部的刀颈2，刀颈2上固定连接有刀头3，所述刀头直径为0.6mm至1.0mm，所述刀头3上设置有两条轴对称设置的螺旋排屑槽32，以及由两条螺旋排屑槽32离散形成的阵列微齿结构34，阵列微齿结构34由若干右旋球面螺旋微沟槽35和左旋球面螺旋微沟槽36对称交错构成；
刀头3表面的螺旋微沟槽32将刀头3完整表面离散为阵列微齿结构，能够减少铣刀与工件表面的接触面积，降低切削力以及切削温度，从而有效避免铣刀磨损；
所述右旋球面螺旋微沟槽35和左旋球面螺旋微沟槽36的轨迹为对称交错右旋球面螺旋线和左旋球面螺旋线，右旋球面螺旋线和左旋球面螺旋线的球心与刀头3的球心相同；左旋球面螺旋线轴线31和右旋球面螺旋线轴线33与刀具轴线4在同一平面内并且关于刀具轴线4对称，左旋球面螺旋线轴线31和右旋球面螺旋线轴线33与刀具轴线4之间的角度为20°至40°；
阵列微齿结构球头微铣刀具有大量微小切削刃，具有断屑、碎屑作用，抑制毛刺形成，阵列微齿结构球头微铣刀在进行切割时，阵列微齿结构34旋转，其上的微齿结构不断的间歇和切削面接触，多个微齿结构相互交替和切割面接触，产生间歇的冲击力，去除加工毛刺；
同时刀头3表面的右旋球面螺旋微沟槽35和左旋球面螺旋微沟槽36可容纳碎屑，加强刀具排屑能力，从而提高加工表面质量；
如图2所示，优选的，右旋球面螺旋微沟槽35和左旋球面螺旋微沟槽36的截面为等腰三角形，其底边长度为30μm至200μm，高度为10μm至100μm；
如图2所示，优选的，微齿结构为菱形，其长对角线为20μm—70μm，短对角线为10μm至40μm，其锐角角度为30°至80°；
该铣刀整体长度为40mm至50mm，螺旋排屑槽32螺旋角为25°至40°。
下面对一种具有阵列微齿结构的球头微铣刀制备方法的步骤和功能进行详细的说明；
一种具有阵列微齿结构的球头微铣刀制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：采用精密刀具刃磨机床通过砂轮对刀具毛坯棒料进行磨削，得到球头微铣刀的初步轮廓；
步骤二：采用金刚石砂轮5对刀头3表面进行磨削加工，左旋球面螺旋微沟槽36的轨迹的球心与刀头的球心相同，其轴线31与刀具轴线4的夹角α＝30°；
金刚石砂轮5按照球坐标系中的方程：rho＝0.5，theta＝t*180，phi＝t*360*10运动，其中rho是点到原点的距离，theta是点和原点连线与X轴的夹角，phi是点和原点连线在X-Y平面的投影与X轴的夹角，t为参数，磨削速度为20m/s，进给速度为0.35mm/s，磨削深度为10μm，最终得到左旋球面螺旋微沟槽36；
步骤三：转动刀具角度，采用相同得到加工参数，通过金刚石砂轮5对刀头3表面进行磨削加工，形成与左旋球面螺旋槽相对称的右旋球面螺旋槽35，最终得到阵列微齿结构；
步骤四：通过成形砂轮6磨削两条轴对称的螺旋排屑槽32，磨削速度为30m/s，进给速度为0.50mm/s，磨削深度为60μm，从而加工出具有阵列微齿结构的球头微铣刀。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，不能一次限定本发明实施的范围，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，仍属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种具有阵列微齿结构的球头微铣刀制备方法，其特征在于：所述球头微铣刀包括刀柄（1），以及固定连接在刀柄（1）端部的刀颈（2），刀颈（2）上固定连接有刀头（3），所述刀头（3）上设置有两条轴对称设置的螺旋排屑槽（32），以及由两条螺旋排屑槽（32）离散形成的阵列微齿结构（34），阵列微齿结构（34）由若干右旋球面螺旋微沟槽（35）和左旋球面螺旋微沟槽（36）对称交错构成；
所述阵列微齿结构（34）旋转切割时，其上的微齿结构相互交替和切割面接触，去除切割面上的毛刺；
阵列微齿结构（34）球头微铣刀具有大量微小切削刃，具有断屑、碎屑作用，抑制毛刺形成；
所述右旋球面螺旋微沟槽（35）和左旋球面螺旋微沟槽（36）的轨迹为对称交错右旋球面螺旋线和左旋球面螺旋线，右旋球面螺旋线和左旋球面螺旋线的球心与刀头（3）的球心相同；
左旋球面螺旋线轴线（31）和右旋球面螺旋线轴线（33）与刀具轴线（4）在同一平面内并且关于刀具轴线（4）对称，左旋球面螺旋线轴线（31）和右旋球面螺旋线轴线（33）与刀具轴线（4）之间的角度为20°至40°；
其制备方法具体包括如下步骤：
步骤一：刀具毛坯棒料磨削加工，形成铣刀轮廓；
步骤二：刀头（3）刃磨加工，进而在刀头（3）上形成若干右旋球面螺旋微沟槽（35）和左旋球面螺旋微沟槽（36），形成阵列微齿结构（34）；
步骤三：刀头（3）上加工两条轴对称的螺旋排屑槽（32），形成具有阵列微齿结构（34）的球头微铣刀；
所述右旋球面螺旋微沟槽（35）和左旋球面螺旋微沟槽（36）的截面为等腰三角形，其底边长度为30μm至200μm，高度为10μm至100μm；
所述微齿结构为菱形，其长对角线为20μm至70μm，短对角线为10μm至40μm，其锐角角度为30°至80°。
2.根据权利要求1所述的一种具有阵列微齿结构的球头微铣刀制备方法，其特征在于：该铣刀整体长度为40mm至50mm，螺旋排屑槽（32）螺旋角为25°至40°。
3.根据权利要求1所述的一种具有阵列微齿结构的球头微铣刀制备方法，其特征在于：步骤一中，采用精密刀具刃磨机床通过砂轮对刀具毛坯棒料进行磨削，采用成形砂轮（6）磨削两条轴对称的螺旋排屑槽（32）。
4.根据权利要求1所述的一种具有阵列微齿结构的球头微铣刀制备方法，其特征在于：步骤二中，采用金刚石砂轮（5）对刀头（3）进行精密刃磨。
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